宇宙是怎么變“重”的?

業界 | 2021-10-26 08:01:10
時間:2021-10-26 08:01:10   /   來源: 中國青年網      /   點擊數:()

宇宙浩瀚無窮,它在138.2億年前誕生,在大爆炸中碰撞出元素的火花,在漫長的時光中沉淀出星空的璀璨。

宇宙中的星球有尺寸之分,星系有年齡之別,而其中的元素也有輕重之差??茖W研究表明,宇宙誕生之初,只存在氫、氦、鋰等輕元素,如今的宇宙中卻普遍存在著碳、氮、氧等重元素。這些重元素是從哪里來的?

近日,清華大學天文系教授蔡崢課題組通過觀測發現,早期宇宙星際間重元素的起源,與大質量星系有著密不可分的關系。該研究成果已于近日發表在國際學術期刊《自然·天文》,為宇宙星際空間重元素起源之謎提供了新的見解。

宇宙中的絕大部分物質并不集中在星系里,而在星系之間。這部分彌散在星系間廣袤空間里的物質,被稱為星系際介質。天文學家利用類星體光譜發現,在大爆炸僅9億年后,星系際介質中就已經存在重元素了。

對這一現象,蔡崢給出了一個生動的比喻:“這就好比我們在一望無際的太平洋里航行時,突然發現水中有大量的水銀一樣。我們一定會覺得很奇怪,這些汞是哪里來的,是不是附近有船泄露了汞?”

為什么會莫名其妙地出現了重元素,它們又是如何進入星系際介質的?蔡崢表示,這些至今仍是觀測宇宙學的關鍵問題。

2021年4月,國際學術期刊《科學》聯合上海交通大學發布了增刊《125個科學問題——探索與發現》,“宇宙中重元素的起源問題”就位列其中。

一種假說認為,早期星系際介質中的重元素,主要是被小質量星系的恒星星風,或活動星系核反饋拋射到宇宙中的;微小星系的活動,似乎也是星系際介質重元素起源的原因。為了證明這一猜想,天文學家進行了大量的光學觀測。

然而,小質量星系亮度低,觀測受星際塵埃影響大,大多數光學波段的搜尋和探索都無功而返。

蔡崢團隊利用ALMA陣列(阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列)射電望遠鏡開展了全波段探測。

他告訴中青報·中青網記者:“ALMA陣列位于智利北部的高原地區,當地氣候干燥,是一個100多年都沒有下過一滴雨的地方。再加上海拔5000米,空氣稀薄,這里的天空特別干凈,能夠把地球大氣對觀測的影響降到最小。這樣,我們就能夠看到更遠的地方。”

團隊發現,宇宙紅移6.04處的類星體J2054-0005所發射的光束,在途經距離地球125億光年外的某區域時,出現了比較明顯的氧吸收現象。

蔡崢說,“如果現有的理論是正確的——重元素是由微小星系活動產生的,我們就不應該看到氧吸收體周圍的星系。因為小質量星系亮度很低,距離如此遙遠,可能怎么曝光都無法探測到。這就好比在北京點一支蠟燭,卻在天津拿望遠鏡觀察一樣,我們是很難觀察到微小星系的信息的。”

他認為:“與傳統理論預言的小星系完全不符,我們觀測到了一個非常明亮的大質量星系,在向宇宙中拋出大量氧等重元素!”

在進行數據分析和處理后,團隊發現一個巨大星系,它位于這些宇宙早期星系際介質中的氧元素附近,星系與氧吸收體的距離約6萬光年,這個距離尺度意味著,氧吸收體位于該巨大星系的暗物質暈邊緣。

蔡崢和學生吳昀荊將該星系與理論上的數值模擬進行對比,發現該候選星系的質量要比理論預言的重1-2個數量級,該星系與其吸收體的距離,也超出理論預測的1個量級。

“這清晰地證明,宇宙早期星系際介質中的重元素,也許并不全部起源于小星系的活動,來自巨大星系的貢獻,很可能比先前科學界所認為的重要得多。”蔡崢說。

團隊還發現,巨大星系通過反饋作用,能夠將重元素“拋”到非常遠的距離。星系際介質中的重元素,距離候選的大質量星系有10萬光年的距離。而宇宙早期巨大的星系直徑,也不過是2萬光年左右。

“通過這樣的比較,我們可以感受到大質量星系所具有的巨大‘力量’,以及它對于宇宙早期重元素形成的重要作用。”蔡崢說。

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